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造纸车间控制阀门的选择

造纸车间控制阀门的选择 

随着中国造纸工业的发展,纸机的装备水平越来越高,这对自动控制专业提出了更高的要求。而阀门的正确选型是达到高精度控制的重要前提。阀门的选型,根据造纸车间的生产工艺、介质特点,可从以下几个方面来考虑。

    1 阀门的尺寸计算

   阀门的口径并不是依据工艺管线的尺寸来确定的,通过用比管径低一档的尺寸来选择阀门口径,是很不科学的。阀门口径的计算实际是流通能力的计算,既保证阀门全开时能达到工艺要求的最大流量。一般情况阀门的选择还应加上一个安全系数,最大流量应高于工艺要求的25%~60%。

   阀门的口径计算是一个很复杂的过程,一般计算中引入一个重要的参数Cv值(国内一般用KV值Cv=1.17Kv)来简化计算。根据计算得出的Cv值,从供货厂家的技术参数表中选择适当的阀门口径。

 

其中:
    Q为最大流量
    P1为进口压力
    P2位出口压力
    G为介质密度

    以上是理想情况下的公式,通常还需要考虑粘度系数及介质的压缩特性。加入粘度补偿的计算公式如下:

 

其中:
    Q为最大流量
    P1为进口压力
    P2为出口压力
    G为介质密度
    Φ为粘度系数

   对于牛顿型流体,粘度是剪切速度与剪切力的比例系数。粘度系数的简约算法,可根据介质的雷诺数Re求得。一般情况,当雷诺数Re>2300时,Ф取为1;当雷诺数Re<2300时,Ф有粘度校正曲线得出。

    对于可压缩气体,可通过下式计算:

    △P>½△P时   

 

    △P<&frac12;△P时

 

其中:
    Q为最大流量
    P1位进口压力
    P2为出口压力
    G为介质密度
    T为华氏温度

    2、流量特性选择

   阀门的流量特性,就是介质通过阀门的相对流量和阀门相对开度的关系。理想的流量特性主要有3种:快开特性、线性特性、等百分比特性(如图1)。

 

   快开特性:一个小的开度就会使流量产生较大的变化。一般用于开关球阀,主要起到限制冲击的功能,典型的应用是泵的出口。作为调节使用时,在小开度的情况下,由于流量相对变化大,容易缩短阀门使用寿命。

   线行特性:阀门开度直接对应流量百分比,在小开度时,流量相对变化大;在大开度时,流量相对变化小。如果流量是与阀门两端压力损失无关的参数,这将是最理想的流量特性。

   等百分比特性:阀门两端压损为常数时,阀门在单位变化行程内引起的流量变化与该点的流量成正比。

   注:一般选用等百分比特性的阀门作为调节用阀是由于管道压损随流量的增加而增加,泵的压头随流量的增加而减少,所以在实际使用时,实际流量特性将要发生畸变。理想流量特性为等百分比的阀门,其实际流量特性将接近线性,而理想流量特性为线性阀门,其实际流量特性将接近快开特性。

    3、选择适合的阀门形式、材质

   根据造纸行业的生产特点、环境特点和物料性质,大多数地方使用蝶阀和球阀可满足需要。现就晨鸣轻涂纸生产车间的应用情况,对阀门的选型作初步探讨。

    3.1阀门选择需要考虑的因素

   (1)浆料设备主要包括浆料的碎解、磨浆、除砂、配料、稀释等过程。在碎解、磨浆、除砂过程中,浆浓度较高,含有较多纤维。另外浆料中含有砂子、铁丝等多种杂质,因此要选择剪切能力较强的阀门。密封也应采用硬密封,防止杂质造成密封损坏,建议用金属密封的球阀。在配料和浆料稀释过程中,由于浆料的混合需要精确的浆料比例控制,稀释要求精密的浓度控制。V型球阀具有较好的截流特性和控制功能,能快速响应工艺条件的改变,且泄漏量少,球芯与阀座间回转时具有较强的剪切力,应是优先选择。要求最特殊的地方是抄前池后的定量控制阀,由于一般的气动执行机构和定位器不能满足工艺要求的定位精确度,并且有较大的滞后性,因此一般选用高精度的步进电机控制的V型阀来作为定量控制阀。 

   (2)湿部化学品和涂料部分主要包括淀粉、瓷土、碳酸钙、胶乳、杀菌剂、助留剂、助滤剂等。瓷土、碳酸钙等大多数物料颗粒性强,对阀座磨蚀作用特别强,因此应用于这些介质的阀门应选用耐磨型材料。例如可以用硬质金属或覆嵌陶瓷作为阀座材料,同时选型时要注意使管道中的流速与阀门两端压差尽量保持在较低状态。助留剂、助滤剂等添加剂由于添加量少,要求计量精确,因此,需要选择CV值小的阀门。硫酸、杀虫剂等腐蚀性极强的辅料,介质接触部件一般采用聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等材料。随着新材料的应用,PVC等材质球阀也越来越多的应用于腐蚀性强的场合。

   对于涂料、辅料工段阀门口径的选择,要充分考虑粘度的影响。对于大部分涂料,选择阀门时不应只参考常规的粘度系数,还要充分考虑涂料的流变特性,因为多数涂料具有塑性流动或假塑性流动等特性。涂料成分、颗粒大小、固含量以及流体速度的不同,导致其粘度也不同。例如:当泵的转速为20r/min时,粘度在300Pa·s左右,当泵转速为700r/min时,粘度在18×105Pa·s左右。瓷土-胶乳的流动特性曲线见图2。 

 

   由图可见,剪切速度Vc时临界点。在此之前随剪切应力增大,曲线斜率降低,即粘度下降,到Vc处达到最低。在此之后随剪切应力增大,曲线斜率增大,即粘度逐渐变大。因此在计算阀门口径时,应根据介质的流变特性对正常粘度系数进行修正。

   (3)纸机湿部主要包括浆上网、成形、脱水、压榨、以及真空、喷淋水系统,考虑到水压较高,应以选用球阀为主。在真空管线上,需充分考虑负压对阀门密封的影响。作为国内大多数阀门厂家,蝶阀的密封性一般达不到要求,通常需用球阀。由于国产球阀密封原理是依靠介质的压降来实现的,如果选用这种阀门,应严格分清安装方向。

   随着生产工艺和生产技术的发展,NELES等阀门专业生产厂家在蝶阀上采用唇式密封,三偏心等技术,使得蝶阀的密封性得到显著提高。蝶阀在许多场合可以代替球阀。在真空管线上也得到广泛应用。另外从经济角度考虑,由于真空管线直径较大,选择蝶阀可以节省投资。

   如图3所示,唇式密封使阀座紧贴在阀板外侧面上的挠曲形成球而弓形的结构,阀体和压板固定就位,保护阀座不受介质流体冲蚀。三偏心结构即轴偏心,密封面斜交偏心,阀板与阀座偏心,这一设计使得蝶板关闭时,向凸轮一样压入阀座,蝶板的整个圆周密封面紧贴到阀座上,达到严密关断目的。

 

   (4)纸机干燥部主要包括烘干、压光卷取,选型的重点是用于控制高温高热蒸汽上的阀门。在满足密封的前提下,大口径以选择蝶阀为宜。作为安全方面的考虑,应选用气开式阀门。对于蒸汽用阀和冷凝水阀,首要考虑的应是气蚀与闪蒸现象。

   阀门实质上也是一个节流元件。当介质流经阀门时,流通面积减少,静压力降低,速度急剧提升。在某一点处,速度达到最大,该点称为缩脉点。通常这一点的流体面积比实际的物理最小面积要小,在缩脉点以后,流通面积开始增大,静压力逐渐恢复,速度降低。

   对于冷凝水而言,存在一个饱和蒸汽压。如果阀门选择不够合理,当介质流经阀门时,压力下降就会低于饱和蒸汽压,当压力恢复不到饱和蒸汽压以上时,就会出现闪蒸现象。

   空化现象产生后,介质中会分离出大量气泡,气泡在下游因静压力恢复,承受不了高压而破裂,产生局部的液压冲击。气泡破裂产生的冲击力非常大,它能使金属剥落,表面粗糙,形成海绵状的小洞穴,产生振动和噪音,此时的现象称为气蚀。

   因此选型时,阀门的通径应尽量大一些,防止局部促狭,同时选择材质机械强度好、抗腐蚀能力强的。

   闪蒸现象出现,按照一般液体的公式来计算饱和蒸汽是不准确的。在这种情况下要简约计算所需要的cv值,可按照下面的说明进行修正。

    当△T<5时,△Pc=0.06×P1

    当△T>5时,△Pc=0.9×(P1-PABC)

   通过上式计算出△Pc,当结果小于调节阀上的实际压差△P时,要用△Pc代换液体的计算公式中的△P。△T为实际温度与饱和温度的差值。

   作为控制阀的选型,由于过程中变量较多,很难作出精确的选择。本文只是通过工作中的体会,给出选型的一点经验。 
 
 

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